水泥生產窯外分解技術是70年代發展起來的水泥干法生產技術，該技術的關鍵是預分解爐。早期的分解爐多為生料一次通過分解爐，由于停留時間較短，為保證出爐生料中碳酸鈣的分解率，降低熱耗，生料入爐前，都要經過預熱，不論采用那種預熱方式，分解爐系統都設有較龐大的預熱裝備。中國建材院在借鑒國內外窯外分解技術的基礎上，提出在水泥窯余熱發電工藝中采用流態化分解爐技術，使冷生料直接入爐的工藝方案。第一代分解爐在撫順水泥廠應用，經過幾年的運行，證明該工藝技術是成功的。在此基礎上，提出采用“爐外循環”技術以進一步提高分解效率和出爐生料中碳酸鈣分解率。“爐外循環”技術八十年代國外已有研究，在實驗室和工業試驗上均取得較好的效果。國內在“爐外循環”方面雖有探討，但未在水泥工業上應用。本文通過熱模實驗，探索爐外循環與生料中碳酸鈣分解率的關系。我們采用冷生料直接入爐的工藝方案，分解爐兼有預熱和分解雙重功能。出系統高溫廢氣用于發電。為了提高分解爐熱效率和出爐生料分解率，將出爐物料經旋風筒收下以后部分返回分解爐，即采用“爐外循環”技術。這樣，高溫生料在爐系統中停留時間得以延長，從而提高了出爐生料的碳酸鈣分解率，為把水泥生產余熱發電工藝提高到一個新水平創造了技術條件。

2　實驗流程

　　本工藝采用冷生料直接入爐，為保證爐內熱負荷，在爐子下部和中部各設一噴油口。生料在爐底部流化風的作用下流態化，來自油槍的燃燒煙氣加入后，爐內氣流速度提高，生料被帶出爐子，經三級旋風筒收塵，煙氣通過水收塵經排風機后進入煙囪排出。一級旋風筒和二級旋風筒收下的生料可以返回爐內，在一級旋風筒下料管道上裝有高溫分料器，用以調節回爐生料的循環量。本實驗的工藝流程示于圖1。圖中T是溫度測點；P是壓力測點。進入爐內的風量和油量用轉子流量計計量。

　　　　　　　　　　　　圖1　循環流態化分解爐工藝流程

1.油箱；2.鼓風機1；3.油泵；4.鼓風機2；5.分解爐；6.下油槍；7.上油槍；8.喂料機；9.旋風筒Ⅰ；10.翻板閥；11.分料器；12.旋風筒Ⅱ；13.旋風筒Ⅲ；14.手推車；15.水收塵箱；16.引風機

3　實驗結果分析

3.1　床層阻力與流化風量的關系

3.1.1　布風板阻力

　　從實驗得出，隨著流化風量的增加，布風板兩側壓力降增大，開始壓降增加緩慢，在風速大于0.34m/s之后，阻力的增大隨流量增加明顯加快。由流體動力學理論知道：

　　管內流體流動阻力ΔP與流速V的關系為：

　　ΔP∝V2，而V=Q/A，Q是流量，A是過流面積。則：

　　ΔP∝Q2/A2，在A不變的條件下ΔP∝Q2

　　實驗測出的布風板阻力與流化風量的關系符合上述規律，如圖2所示。

　　　　　圖2　布風板阻力與風量的關系

3.1.2　床層阻力與床層高度和流化風量的關系

　　在床高一定的情況下，床層阻力降與流化風量的關系為：床層阻力在風量較小的階段隨風量的增加呈線性增加，當流化風量達到一定量以后，阻力降不再隨風量增大而增大，而是在一個很狹窄的波動范圍內走一個平臺，如圖3所示。

　　　　　圖3　不同床高床層阻力與流化風量的關系

　　　　　1.床高361mm；2.床高248mm；3.床高116mm

　　濃相床高的變化對床層阻力產生影響，在不產生溝流和死床的情況下，床層阻力隨著濃相床高度的提高而增大。圖3是在三種濃相床層高度時床層阻力隨流化風量變化的情況。

3.1.3　系統壓力分布

　　爐系統正常工作時微負壓運行。爐膛負壓為-100～-150Pa，一級旋風筒入口負壓-400～-600Pa，二級旋風筒入口負壓-900～-1100Pa，三級旋風筒入口負壓-1400～-1700Pa。

　　流化床正常工作時的鼓風壓力為800～1600Pa。本實驗過程中正常的鼓風壓力為1000Pa，當床層積料增多時，鼓風壓力增大。

3.2　溫度與出爐生料分解率之間的關系

　　溫度對生料中碳酸鈣的分解率起著決定性作用。根據A.Muller等人的研究，在720℃的溫度條件下，水泥生料中碳酸鈣分解率達到80%需要136s，在900℃的溫度條件下，達到80%需要4s，而在1000℃的溫度條件下，達到80%只需1.1s。

　　本實驗系統在無循環條件下，生料從進爐到出一級旋風筒之間的停留時間為2.9s(計算值，不考慮顆粒與氣流之間的滑移)。如考慮氣流與顆粒之間的滑移，實際顆粒停留時間要大于計算值。

　　在本實驗中，爐膛平均溫度900～950℃時，從一級旋風筒收下的物料碳酸鈣分解率在85%左右。1000℃以上時，分解率達90%以上。降低爐子的溫度水平，分解率明顯下降。當爐子平均溫度800℃以下時，得到的分解率不及10%。為了在較低的溫度水平上得到較高的出爐物料分解率，需要增加物料在爐子中的停留時間。本實驗通過把一級和三級旋風筒收下的物料部分返回爐內，從而增大物料在爐內的停留時間，達到提高生料出爐分解率的目的。

　　生料一次通過爐系統的分解率與爐膛平均溫度的關系如圖4所示。

　　　　圖4　生料分解率與爐膛平均溫度的關系

3.3　循環量與生料分解率的關系

　　本文中循環率定義為：出一級旋風筒下料管物料入爐量/入窯物料量(即各旋風筒放出物料總量)。

　　從溫度變化對分解率的影響可以看出，在爐膛平均溫度950℃以上，生料顆粒一次通過爐系統，碳酸鈣分解率可達90%以上。這時，由于碳酸鈣分解在很短時間完成，停留時間對分解率的影響有限，此時溫度對分解率起著控制作用，增加停留時間并不能大幅度提高分解率。在我們的實驗中，當爐平均溫度在950℃以上時，循環與不循環時，生料中碳酸鈣分解率沒有明顯變化。爐膛平均溫度960℃的實驗證明，物料不循環時的碳酸鈣分解率可達90.03%，出一級旋風筒下料管物料100%循環時的碳酸鈣分解率為90.732%。在爐膛平均溫度900℃以下，由于水泥生料在爐系統中產生高分解率所需時間較長，此時設法延長生料在爐內的停留時間，對提高出爐生料分解率有利。由于在900℃以上，爐膛易發生結焦，并且余熱鍋爐易集灰，不適合余熱發電系統采用，我們的實驗將重點放在700～900℃的溫度范圍內。

　　在爐膛平均溫度850℃的實驗中，我們看到物料循環對碳酸鈣分解率的影響。對出一級旋風筒的物料分析，物料不循環時的碳酸鈣分解率為58.39%，出一級旋風筒下料管物料50%循環時的碳酸鈣分解率達81.64%。由于部分物料回爐循環增加了生料在系統中的停留時間，從而有效地提高了生料中碳酸鈣出爐分解率。圖5是爐膛平均溫度在850℃、900℃和950℃條件下，物料循環時碳酸鈣分解率與循環率的關系。

　　　　　　　循環率/%

　　　圖5　循環量與分解率的關系

1.爐膛平均溫度950℃；2.爐膛平均溫度900℃；3.爐膛平均溫度850℃

　　由于物料多次通過爐膛，在較低的溫度水平上獲得了生料的高分解率，從而為降低分解爐操作溫度，防止爐膛結焦，降低熱耗提供了技術途徑。

4　結論

　　(1)本實驗實現了在實驗室規模下將循環流態化分解爐應用于水泥預煅燒過程，并得出其主要工藝參數。

　　(2)熱態模型實驗表明：采用循環流態化分解爐，在爐膛平均溫度850℃左右，可以有效提高分解爐的效率和出爐生料分解率。在950℃以上或700℃以下，物料循環對生料分解率沒有明顯提高。本循環系統在爐膛平均850℃左右時，出爐生料中碳酸鈣分解率達80%以上，而在同樣條件下，不采用循環系統時，出爐生料碳酸鈣分解率最多不超過60%。

　　(3)在700～950℃溫度范圍內采用循環系統，當溫度一定時，可以提高出爐生料分解率；或者當要求一定的出爐分解率時，爐子可以在較低的溫度水平下運行，這對于降低熱耗，避免爐系統因溫度過高而結焦，都有積極意義。

　　(4)本實驗所得工藝參數和操作經驗，對于工業化循環流態化分解爐的設計和操作具有指導作用。第一套采用該系統的工業生產裝置已在呼和浩特市水泥廠安裝，1994年底投入運行。